DE102020109246B4 - Use of quantum secure keys with terminal equipment - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Lösung zur Nutzung quantensicherer kryptographischer Schlüssel mit telekommunikativen Endgeräteeinrichtungen (1), welche selbst nicht über quantentechnische Mittel zu deren Erzeugung verfügen. Dazu bezieht die jeweilige Endgeräteeinrichtung (1) die quantensicheren Schlüssel durch Anforderung bei einem fortwährend quantensichere Zufallszahlen erzeugenden, von zwei in einer Quantum Key Distribution Verbindung stehenden Netzwerkknoten (21, 22) gebildeten QKD-Verbund. Dies geschieht indem von den Netzwerkknoten (21, 22) auf wenigstens zwei zueinander disjunkten Wegen mehrere voneinander verschiedene, aus von dem QKD-Verbund erzeugten Zufallszahlen durch bitweise Verknüpfung gebildete XOR-Verknüpfungen über VPN-Verbindungen an die quantensichere Schlüssel anfordernde Endgeräteeinrichtung (1) übertragen werden und die Endgeräteeinrichtung (1) aus diesen XOR-Verknüpfungen einen auch bei den Netzwerkknoten (21, 22) vorliegenden quantensicheren Bezugsschlüssel extrahiert. Dieser wird zur symmetrischen Verschlüsselung in einem nachfolgenden Übertragungsvorgang von einem der Netzwerkknoten (21, 22) an die Endgeräteeinrichtung (1) übertragener Daten verwendet wird, die eine größere Anzahl von dem QKD-Verbund erzeugter Zufallszahlen umfassen, aus denen die Endgeräteeinrichtung (1) mehrere, auch in den Netzwerkknoten (21, 22) vorliegende Schlüssel extrahiert und in einem manipulationssicheren Speicher ablegt.The invention relates to a solution for using quantum-secure cryptographic keys with telecommunication terminal devices (1) which themselves do not have quantum technical means for their generation. For this purpose, the respective terminal device (1) obtains the quantum secure key by request from a QKD network which continuously generates quantum secure random numbers and is formed by two network nodes (21, 22) connected in a quantum key distribution. This is done by the network nodes (21, 22) transferring several different XOR links formed from random numbers generated by the QKD network via VPN connections to the terminal device (1) requesting quantum-secure keys on at least two mutually disjoint paths and the terminal device (1) extracts a quantum-secure reference key that is also present at the network nodes (21, 22) from these XOR operations. This is used for symmetrical encryption in a subsequent transmission process from one of the network nodes (21, 22) to the terminal device (1) transmitted data, which includes a larger number of random numbers generated by the QKD network, from which the terminal device (1) several , also extracted keys present in the network nodes (21, 22) and stores them in a tamper-proof memory.
Description
Die Erfindung betrifft eine Lösung zur Nutzung quantensicherer kryptographischer Schlüssel mit Endgeräteeinrichtungen für die telekommunikative Datenübertragung. Sie bezieht sich hierbei insbesondere auf ein entsprechendes Verfahren und auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildete Endgeräteeinrichtung.The invention relates to a solution for using quantum-secure cryptographic keys with terminal devices for telecommunications data transmission. It relates in particular to a corresponding method and to a terminal device designed to carry out this method.
In diesem Zusammenhang bezieht sich die Aussage, wonach die Erfindung eine Nutzung quantensicherer Schlüssel „mit“ Endgeräteeinrichtungen betrifft, nicht ausschließlich auf die eigentliche Verwendung solcher quantensicherer Schlüssel durch eine jeweilige Endgeräteeinrichtung, sondern schließt im Hinblick darauf, dass die eigentliche Verwendung der Schlüssel deren Vorhandensein bei einer jeweiligen Endgeräteeinrichtung erfordert, den Bezug der quantensicheren Schlüssel durch die Endgeräteinrichtung ausdrücklich mit ein.In this context, the statement that the invention relates to the use of quantum secure keys “with” terminal devices does not relate exclusively to the actual use of such quantum secure keys by a respective terminal device, but rather includes the fact that the actual use of the key implies their existence a respective terminal device requires that the terminal device expressly includes the acquisition of the quantum-secure key.
Die eigentliche Verwendung der quantensicheren Schlüssel umfasst zum einen deren Verwendung für die telekommunikative Übertragung verschlüsselter Daten jedweder Art, einschließlich weiterer Schlüssel, über räumliche Entfernungen hinweg, zum anderen aber auch die kryptographische Absicherung der für die Datenübertragung genutzten Netze, Verbindungen und Übertragungskanäle und in diesem Zusammenhang auch die Möglichkeit die Schlüssel anderen Geräten zu den vorgenannten Zwecken im Zusammenwirken mit der erfindungsgemäßen Endgeräteeinrichtung zur Verfügung zu stellen. Auch die Möglichkeit, die quantensicheren Schlüssel durch die Endgeräteeinrichtung wiederum an andere Geräte gewissermaßen weiterzureichen, welche zwar nicht dazu ausgebildet sind, diese nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu beziehen, sie aber ihrerseits für den späteren Einsatz bei der Verschlüsselung von Daten manipulationssicher zu speichern, soll im Kontext der nachfolgenden Darstellungen als Verwendung der Schlüssel angesehen werden. Insoweit dient die nachfolgend vorzustellende Endgeräteeinrichtung dazu, die von ihr bezogenen Schlüssel zur sicheren und verschlüsselten Übertragung von durch sie gegebenenfalls selbst oder durch andere Geräte genutzten (dann beim Versenden durch das betreffende Gerät zunächst noch unverschlüsselten und beim Empfangen durch dieses Gerät schon entschlüsselten) Daten bereitzustellen oder aber auch die Schlüssel als solches anderen Geräten zur späteren weiteren Verwendung für die verschlüsselte Datenübertragung oder für andere Applikation zur Verfügung zu stellen.The actual use of quantum secure keys includes, on the one hand, their use for the telecommunications transmission of encrypted data of any kind, including other keys, over spatial distances, and on the other hand, the cryptographic protection of the networks, connections and transmission channels used for data transmission and in this context also the possibility of making the keys available to other devices for the aforementioned purposes in cooperation with the terminal device according to the invention. The possibility of the terminal device in turn passing on the quantum-secure key to other devices, so to speak, which are not designed to obtain them according to the method according to the invention, but to store them in a tamper-proof manner for later use in the encryption of data, is also intended in In the context of the following illustrations, the use of the keys should be considered. In this respect, the terminal device to be presented below serves to provide the key obtained from it for the secure and encrypted transmission of data used by itself or by other devices (then initially unencrypted when sent by the device in question and already decrypted when received by this device) or to make the keys as such available to other devices for later further use for encrypted data transmission or for other applications.
Der Sicherheit zwischen Teilnehmern telekommunikativ übertragener Daten kommt eine sehr große, künftig noch steigende Bedeutung zu. Dies gilt für die Sicherheit der Daten selbst, im Hinblick auf die Verhinderung nicht autorisierter Zugriffe auf die Daten sowie auf die Sicherstellung ihrer Authentizität und der ihres Absenders, aber auch für die Absicherung der telekommunikativen Infrastruktur.The security of data transmitted by telecommunication between subscribers is of great importance and will increase in the future. This applies to the security of the data itself, with a view to preventing unauthorized access to the data and ensuring its authenticity and that of its sender, but also for securing the telecommunications infrastructure.
Im Zusammenhang mit der telekommunikativen Übertragung, also insbesondere der Fernübertragung von Daten ist es seit längerem bekannt und gebräuchlich, die Daten zu verschlüsseln, um unerlaubte Zugriffe auf die mit ihnen transportierten Informationen sowie Manipulationen der Daten zu verhindern. Gegenwärtig dazu überwiegend eingesetzte Verschlüsselungstechniken setzen auf Mechanismen, die darauf angelegt sind, das Brechen der verwendeten kryptographischen Schlüssel dadurch zu verhindern, dass insbesondere an die dafür erforderliche Hardware Anforderungen gestellt werden, die typischerweise von keinem oder kaum einem Angreifer erfüllt werden können.In connection with telecommunication transmission, in particular the remote transmission of data, it has long been known and customary to encrypt the data in order to prevent unauthorized access to the information transported with them and manipulation of the data. Encryption techniques currently predominantly used for this purpose rely on mechanisms that are designed to prevent the cryptographic key used from being broken by placing requirements on the hardware required for this purpose, which typically cannot be met by any or hardly any attacker.
Als eine sichere Möglichkeit hat sich dabei die Verwendung symmetrischer Schlüssel - für die Verschlüsselung der Daten und deren spätere Entschlüsselung wird/muss derselbe Schlüssel verwendet werden - erwiesen, nämlich insbesondere dann, wenn ein jeweiliger symmetrischer Schlüssel jeweils nur für einen Datenübertragungsvorgang verwendet wird. Allerdings ist es vergleichsweise schwierig, einen symmetrischen Schlüssel auf sicherem Wege sowohl einem Daten sendenden Teilnehmer als auch einem zu deren Empfang berechtigten Teilnehmer zur Verfügung zu stellen. Gegen eine mehrmalige Verwendung der Schlüssel spricht andererseits perspektivisch unter anderem die sich gegenwärtig stark beschleunigende Entwicklung von Quantencomputern. Derartige Computer könnten bei ihrem Einsatz durch Angreifer (Hacker) die zuvor erläuterte Annahme gebräuchlicher Verschlüsselungstechniken insoweit außer Kraft setzen, als diese eine Leistungsfähigkeit hätten, welche die herkömmlicher Computertechnik um ein Vielfaches übersteigt. Benötigen beispielsweise herkömmliche, das heißt nicht quantenbasierte Computer auch mit leistungsfähigster Hardware und gegebenenfalls sogar im Verbund theoretisch viele Jahre, um einen Schlüssel zu brechen, so könnte dieses künftig mittels Quantencomputern in nur wenigen Minuten gelingen.The use of symmetrical keys has proven to be a secure option - the same key is / must be used for the encryption of the data and their subsequent decryption - especially when a respective symmetrical key is only used for one data transmission process. However, it is comparatively difficult to make a symmetrical key available in a secure way both to a participant sending data and to a participant authorized to receive it. On the other hand, the current strongly accelerating development of quantum computers speaks against the repeated use of the key. When used by attackers (hackers), such computers could override the previously explained assumption of common encryption techniques insofar as they have a performance which exceeds conventional computer technology many times over. If, for example, conventional, i.e. non-quantum-based computers, even with the most powerful hardware and possibly even in combination, theoretically need many years to break a key, this could in future be achieved in just a few minutes using quantum computers.
Die Möglichkeiten, welche die Quantenphysik und die auf ihr basierenden Computer bieten, können aber andererseits auch für die Bereitstellung sicherer Schlüssel und insbesondere für deren Austausch genutzt werden. Hierzu wurden beispielsweise Verfahren entwickelt, welche unter dem Oberbegriff QKD-Verfahren (QKD = Quantum Key Distribution) zusammengefasst werden. Ein solches QKD-Verfahren wird beispielsweise durch die Erzeugung und der Austausch quantensicherer Schlüssel nach dem als BB84 bezeichneten Protokoll realisiert. Derartige, auf der Nutzung quantenmechanischer Effekte basierende Verfahren, wie das Verfahren nach dem BB84-Protokoll, ermöglichen die sichere Übertragung von Daten sowie die Sicherung der dafür verwendeten Übertragungswege dadurch, dass mittels ihrer erzeugte und verteilte Schlüssel gleichzeitig an beiden Enden einer gesicherten Verbindung vorliegen und es darüber hinaus nicht möglich ist, einen Angriff auf den die Schlüssel erzeugenden Quantenübertragungskanal auszuführen, welcher unbemerkt bliebe. Insbesondere Letzteres, also dass es nicht möglich ist, einen quantengesicherten Übertragungskanal anzugreifen, ohne dass dies durch die berechtigten Teilnehmer an den beiderseitigen Kanalenden bemerkt würde, garantiert dabei eine gesicherte Übertragung von Daten auch für den Fall, dass ein Angriff auf den Übertragungskanal unter Verwendung von Quantencomputern erfolgt.On the other hand, the possibilities offered by quantum physics and the computers based on it can also be used for the provision of secure keys and, in particular, for their exchange be used. For this purpose, methods have been developed, for example, which are summarized under the umbrella term QKD method (QKD = Quantum Key Distribution). Such a QKD method is implemented, for example, by generating and exchanging quantum-secure keys according to the protocol known as BB84. Such methods based on the use of quantum mechanical effects, such as the method according to the BB84 protocol, enable the secure transmission of data as well as the security of the transmission paths used for the fact that keys generated and distributed by means of them are simultaneously present at both ends of a secure connection and moreover, it is not possible to carry out an attack on the quantum transmission channel generating the keys, which would go unnoticed. The latter in particular, i.e. that it is not possible to attack a quantum-secure transmission channel without this being noticed by the authorized participants at the channel ends on both sides, guarantees secure transmission of data even in the event that an attack on the transmission channel is made using Quantum computers takes place.
Allerdings ist die technische Realisierung einer QKD-Verbindung sehr aufwendig und teuer. Dadurch kommt deren Einsatz jedenfalls mittelfristig im Grunde nur im Bereich von Kernnetzen der telekommunikativen Infrastruktur, in anderen speziellen Netzwerken oder im Zusammenhang mit besonders sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie etwa bei Verbindungen zu oder zwischen Banken, Data-Centern oder Ministerien, in Betracht. Auch Endgeräteeinrichtungen für den Einsatz von QKD-Verfahren zu ertüchtigen, erscheint dagegen - Stand jetzt - eher ausgeschlossen, zumindest im Hinblick auf eine breite Anwendung. Andererseits ist auch für eine Vielzahl bereits genutzter oder sich in Entwicklung befindender Anwendungen - zu denken ist hierbei zum Beispiel an den Ausbau des Internet of Things (IoT) - eine sichere Übertragung von Daten über gesicherte Datenkanäle im Grunde essentiell.However, the technical implementation of a QKD connection is very complex and expensive. As a result, in the medium term, their use is basically only possible in the area of core networks of the telecommunications infrastructure, in other special networks or in connection with particularly security-relevant applications, such as connections to or between banks, data centers or ministries. Equipping terminal equipment for the use of QKD procedures, on the other hand, appears to be rather out of the question - as of now - at least with regard to widespread use. On the other hand, for a large number of applications that are already in use or are in development - for example, the expansion of the Internet of Things (IoT) - a secure transmission of data via secure data channels is essentially essential.
In der
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine sichere Lösung bereitzustellen, welche die Nutzung quantensicherer kryptographischer Schlüssel auch mit Endgeräteeinrichtungen ermöglicht. Hierzu sollen ein Verfahren angegeben und eine zu dessen Ausführung ausgebildete Endgeräteeinrichtung bereitgestellt werden.The object of the invention is therefore to provide a secure solution which enables the use of quantum-secure cryptographic keys also with terminal devices. For this purpose, a method is to be specified and a terminal device designed to carry it out is to be provided.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine die Aufgabe lösende, zur Durchführung des Verfahrens geeignete Endgeräteeinrichtung wird durch den ersten Sachanspruch charakterisiert. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die jeweiligen Unteransprüche gegeben.The object is achieved by a method with the features of
Das zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Verfahren zur Nutzung quantensicherer kryptographischer Schlüssel mit Endgeräteeinrichtungen geht davon aus, dass entsprechende Schlüssel von einer Endgeräteeinrichtung - beispielsweise für die Ver- und Entschlüsselung symmetrischer Nutzdaten - verwendet werden können, welche zwar zur Durchführung des nachfolgend dargestellten Verfahrens ausgebildet sein muss, ohne dabei aber selbst über quantentechnische Mittel zur Erzeugung quantensicherer Schlüssel zu verfügen.The proposed method for using quantum-secure cryptographic keys with terminal equipment is based on the assumption that corresponding keys can be used by a terminal equipment - for example for the encryption and decryption of symmetrical user data - which must be designed to carry out the method presented below without having any quantum technical means to generate quantum-secure keys.
Gemäß dem Verfahren werden die von einer solchen Endgeräteeinrichtung verwendeten quantensicheren Schlüssel von der betreffenden Endgeräteeinrichtung zuvor, also vor ihrer eigentlichen Verwendung, durch Anforderung von einem QKD-Verbund bezogen, der durch einen ersten Netzwerkknoten und einen mit diesem ersten Netzwerkknoten über einen quantensicheren Übertragungskanal in einer Quantum Key Distribution Verbindung stehenden zweiten Netzwerkknoten gebildet wird. Durch einen solchen, beispielsweise in einem Kernnetz eines Netzproviders oder in einem speziellen Firmennetzwerk betriebenen QKD-Verbund mit zwei Netzwerkknoten werden fortwährend quantensichere Zufallszahlen gleicher Bit-Länge erzeugt und in entsprechenden Einrichtungen beider Netzwerkknoten gespeichert. Aufgrund eines dabei zur Anwendung kommenden QKD-Protokolls (beispielsweise BB84) liegen die vorgenannten, durch den QKD-Verbund erzeugten Zufallszahlen jeweils identisch bei beiden Netzwerkknoten dieses QKD-Verbundes vor. Der Begriff QKD-Verbund wird zur sprachlichen Vereinfachung im Kontext der Erfindung und der Patentansprüche für eine aus zwei Netzwerkknoten und einen sie in Form einer Quantum Key Distribution Verbindung verbindenden quantensicheren Kanal verwendet.According to the method, the quantum secure keys used by such a terminal device are obtained from the relevant terminal device beforehand, i.e. before their actual use, by requesting from a QKD network, which is connected to a first network node and a network node with this first network node via a quantum secure transmission channel Quantum Key Distribution connected second network node is formed. Such a, for example in a core network of a network provider or a QKD network operated in a special company network with two network nodes, quantum-safe random numbers of the same bit length are continuously generated and stored in corresponding devices of both network nodes. Because of a QKD protocol (for example BB84) that is used in this case, the aforementioned random numbers generated by the QKD network are identical in each case at both network nodes of this QKD network. The term QKD network is used for linguistic simplification in the context of the invention and the claims for one of two network nodes and a quantum secure channel connecting them in the form of a quantum key distribution connection.
Der sich auf Anforderung durch eine jeweilige Endgeräteeinrichtung vollziehende Bezug der quantensicheren Schlüssel erfolgt, indem aufgrund dieser Anforderung von den Netzwerkknoten des QKD-Verbundes auf wenigstens zwei zueinander disjunkten Wegen mehrere voneinander verschiedene, aus von dem QKD-Verbund erzeugten Zufallszahlen durch bitweise Verknüpfung gebildete XOR-Verknüpfungen über VPN-Verbindungen an die Endgeräteeinrichtung übertragen werden. Aus diesen XOR-Verknüpfungen extrahiert die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Endgeräteeinrichtung einen auch bei den Netzwerkknoten des QKD-Verbundes vorliegenden quantensicheren Bezugsschlüssel. Dieser Bezugsschlüssel wird dann zur symmetrischen Verschlüsselung in einem nachfolgenden Übertragungsvorgang von einem der Netzwerkknoten des QKD-Verbundes an die Endgeräteeinrichtung übertragener Daten verwendet. Die mit dem Bezugsschlüssel verschlüsselten Daten umfassen eine größere Anzahl von dem QKD-Verbund erzeugter Zufallszahlen, aus denen die sie empfangende Endgeräteeinrichtung mehrere, wiederum ebenfalls in beiden Netzwerkknoten des QKD-Verbundes vorliegende kryptographische Schlüssel extrahiert und zur späteren Verwendung manipulationssicher in einem Speicher der Endgeräteeinrichtung ablegt.The quantum secure key is obtained upon request by a respective terminal device by using, on the basis of this request, the network nodes of the QKD network on at least two mutually disjoint paths several different XOR numbers formed by bit-wise linkage from random numbers generated by the QKD network. Links are transmitted to the terminal equipment via VPN connections. From these XOR links, the terminal device designed to carry out the method extracts a quantum-secure reference key that is also present at the network nodes of the QKD group. This reference key is then used for symmetrical encryption in a subsequent transmission process of data transmitted from one of the network nodes of the QKD group to the terminal device. The data encrypted with the reference key include a larger number of random numbers generated by the QKD network, from which the terminal device receiving them extracts several cryptographic keys that are also present in both network nodes of the QKD network and stores them in a tamper-proof memory in the terminal device for later use .
Entsprechend einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vollzieht sich im Falle einer durch die Endgeräteeinrichtung erfolgenden Anforderung quantensicherer Schlüssel bei einem der Netzwerkknoten des QKD-Verbundes folgender Ablauf:
- 1. In den beiden Netzwerkknoten des QKD-Verbundes werden aus von dem QKD-Verbund bereits erzeugten Zufallszahlen durch bitweise Verknüpfung mindestens vier voneinander verschiedene XOR-Verknüpfungen gebildet, wobei eine dieser Zufallszahlen (bestimmt durch ein in den Netzwerkknoten des QKD-Verbundes hinterlegtes Regelwerk) eine hier als Schlüsseldatencontainer bezeichnete Bit-Folge darstellt. Zur Bedeutung dieser Bezeichnung beziehungsweise zu den Eigenschaften dieses Schlüsseldatencontainers sollen später einige Ausführungen erfolgen.
- 2. Ein Teil der gemäß 1. gebildeten mindestens vier XOR-Verknüpfungen wird von einem der Netzwerkknoten des QKD-Verbundes über einen ersten Übertragungsweg an die Schlüssel anfordernde Endgeräteeinrichtung übertragen, wobei gleichzeitig die übrigen der aus den Zufallszahlen gebildeten mindestens vier XOR-Verknüpfungen von dem anderen Netzwerkknoten des QKD-Verbundes über einen gegenüber dem ersten Übertragungsweg vollständig disjunkten zweiten Übertragungsweg an die dafür ausgebildete Endgeräteeinrichtung übertragen werden. Außerdem wird zusammen mit jeder der vorgenannten XOR-Verknüpfungen ein in allen Fällen aus derselben Zufallszahl gebildeter identischer Hashwert an die betreffende Endgeräteeinrichtung übertragen. Vorzugsweise, aber nicht zwingend, handelt es sich bei der vorgenannten, zur Bildung des Hashwertes verwendeten Zufallszahl um eine der auch zur Bildung der XOR-Verknüpfungen verwendeten Zufallszahlen. Dies ist ohne Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit und Sicherheit des Verfahrens möglich und insoweit vorteilhaft, als die Bildung des Hashwertes dabei nicht zu Lasten der Erzeugungsrate für die quantensicheren Zufallszahlen geht.
- 3. In der die vorgenannten Verknüpfungen empfangenden Endgeräteeinrichtung werden alle XOR-Verknüpfungen, welche mit dem identischen Hashwert assoziiert sind, also mit dem identischen Hashwert zusammen übertragen wurden, ihrerseits bitweise miteinander XOR-verknüpft. Im Ergebnis dieser bitweisen XOR-Verknüpfung wird aufgrund der Art und Weise, wie die quantensicheren Zufallszahlen in dem
vorhergehenden Schritt 1 miteinander XOR-verknüpft wurden/werden, die als Schlüsseldatencontainer dienende quantensichere Zufallszahl erhalten. Zudem wird durch die Art und Weise, wie die mit den Zufallszahlen gebildeten XOR-Verknüpfungen bei der Übertragung an die Endgeräteeinrichtung auf die beiden zueinander disjunkten Übertragungswege aufgeteilt wurden/werden, sowie durch zeitliche Differenz zwischen den einzelnen Übertragungen der XOR-Verknüpfungen sichergestellt, dass der Schlüsseldatencontainer (beispielsweise durch einen Angreifer) nicht aus den über nur einen der Übertragungswege übertragenen XOR-Verknüpfungen erschlossen werden kann. - 4. Aus der als Schlüsseldatencontainer dienenden quantensicheren Zufallszahl werden dann in der Endgeräteeinrichtung eine als Bezugsschlüssel dienende Bit-Folge und eine als Identifikator für diesen Bezugsschlüssel dienende Bit-Folge extrahiert. Hieraus begründet sich auch die Bezeichnung dieser ausgewählten Zufallszahl als Schlüsseldatencontainer, da in der diese Zufallszahl abbildenden Bitfolge (gewissermaßen vereinbarungsgemäß) sowohl die Bits des Bezugsschlüssels als auch die Bits des mit diesem assoziierten Schlüsselidentifikators enthalten sind. Das Extrahieren des Bezugsschlüssels und des mit ihm assoziierten, ihn also eindeutig bezeichnenden Identifikators erfolgt durch Anwendung einer Vorschrift, welche dafür auch in den Netzwerkknoten angewendet wird oder komplementär zu einer in den Netzwerkknoten bei der Erzeugung des Schlüsseldatencontainers, durch Zusammenfügen mindestens des Bezugsschlüssels und seines Identifikators, angewendeten Vorschrift ist.
- 5. Zum Bezug einer größeren Zahl später von ihr zu verwendender kryptographischer Schlüssel wird dann durch die Endgeräteeinrichtung der mit dem gemäß
Schritt 4 gebildeten Bezugsschlüssel assoziierte Identifikator an einen Netzwerkknoten des QKD-Verbundes übertragen. Dabei ist es ein wesentlicher Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die Übertragung des mit dem Bezugsschlüssel assoziierten Identifikators über einen noch nicht mittels quantensicherer Schlüssel gesicherten Übertragungskanal völlig unschädlich ist, da der mit dem Identifikator assoziierte Bezugsschlüssel nur der Endgeräteeinrichtung und den beiden Netzwerkknoten des QKD-Verbundes bekannt ist. - 6. Von dem den Identifikator empfangenden Netzwerkknoten des QKD-Verbundes werden dann, unter Verschlüsselung mit dem zu dem Identifikator gehörenden Bezugsschlüssel und damit gesichert, Daten mit einer größeren Anzahl der durch den QKD-Verbund erzeugten quantensicheren Zufallszahlen an die quantensichere Schlüssel anfordernde Endgeräteeinrichtung übertragen.
- 7. Aus den unter Verschlüsselung mit dem Bezugsschlüssel übertragenen Daten mit den Zufallszahlen werden in der sie empfangenden Endgeräteeinrichtung eine entsprechende Anzahl kryptographischer Schlüssel und zu jedem dieser Schlüssel ein mit ihm assoziierter Identifikator extrahiert. Die so erhaltenen kryptographischen Schlüssel werden schließlich in einem manipulationssicheren Speicher der dafür ausgebildeten Endgeräteeinrichtung zur späteren Verwendung (zum Beispiel zur Verschlüsselung zu übertragender Nutzdaten) abgelegt.
- 1. In the two network nodes of the QKD network, at least four XOR operations different from each other are formed from random numbers already generated by the QKD network by bit-wise linking, one of these random numbers (determined by a set of rules stored in the network node of the QKD network) represents a bit sequence referred to here as a key data container. A few remarks will be made later on the meaning of this designation and the properties of this key data container.
- 2. Part of the at least four XOR links formed according to 1. is transmitted from one of the network nodes of the QKD network via a first transmission path to the terminal device requesting the key, while the remaining of the at least four XOR links formed from the random numbers are simultaneously transmitted by the other network nodes of the QKD network can be transmitted to the terminal device designed for this purpose via a second transmission path that is completely disjoint with respect to the first transmission path. In addition, together with each of the aforementioned XOR operations, an identical hash value, formed in all cases from the same random number, is transmitted to the relevant terminal device. Preferably, but not necessarily, the aforementioned random number used to form the hash value is one of the random numbers also used to form the XOR links. This is possible without impairing the reliability and security of the method and is advantageous insofar as the formation of the hash value is not at the expense of the generation rate for the quantum-safe random numbers.
- 3. In the terminal device receiving the aforementioned links, all XOR links which are associated with the identical hash value, that is to say were transmitted together with the identical hash value, are in turn XOR-linked to one another bit by bit. As a result of this bit-wise XOR operation, due to the way in which the quantum-safe random numbers in the
previous step 1 were / are XOR-linked with one another, which receive the quantum-secure random number serving as a key data container. In addition, the way in which the XOR links formed with the random numbers were / are divided between the two mutually disjoint transmission paths during transmission to the terminal device, as well as the time difference between the individual transmissions of the XOR links, ensure that the Key data container (for example by an attacker) cannot be inferred from the XOR links transmitted via only one of the transmission paths. - 4. From the quantum secure random number serving as the key data container, a bit sequence serving as a reference key and a bit sequence serving as an identifier for this reference key are then extracted in the terminal device. This is where the name of this is based selected random number as the key data container, since the bit sequence depicting this random number (as it were agreed upon) contains both the bits of the reference key and the bits of the key identifier associated with it. The extraction of the reference key and the identifier associated with it, that is to say uniquely identifying it, is carried out by applying a rule which is also used for this in the network nodes or complementary to one in the network nodes when the key data container is generated, by combining at least the reference key and its identifier , applied regulation.
- 5. To obtain a larger number of cryptographic keys to be used later by the terminal device, the identifier associated with the reference key formed in accordance with
step 4 is then transmitted to a network node of the QKD group. It is an essential advantage of the method according to the invention that the transmission of the identifier associated with the reference key via a transmission channel not yet secured by means of quantum-secure keys is completely harmless, since the reference key associated with the identifier is only available to the terminal device and the two network nodes of the QKD group is known. - 6. From the network node of the QKD network receiving the identifier, encrypted with the reference key belonging to the identifier and thus secured, data with a larger number of the quantum secure random numbers generated by the QKD network are transmitted to the terminal device requesting the quantum secure key.
- 7. From the data with the random numbers transmitted under encryption with the reference key, a corresponding number of cryptographic keys and an identifier associated with each of these keys are extracted in the terminal device receiving them. The cryptographic keys obtained in this way are finally stored in a tamper-proof memory of the terminal device designed for this purpose for later use (for example for encrypting user data to be transmitted).
Das Extrahieren der kryptographischen Schlüssel und der mit ihnen assoziierten Identifikatoren aus den unter Verschlüsselung mit dem Bezugsschlüssel empfangenen Bitfolgen (Daten) erfolgt gemäß einer Vorschrift, welche dafür auch in den Netzwerkknoten angewendet wird oder welche komplementär ist zu einer in den Netzwerkknoten bei der Erzeugung einer jeweiligen, einen Schlüssel und dessen Identifikator umfassenden, den mittels des Bezugsschlüssels zu versendenden Daten hinzugefügten Bitfolge angewendeten Vorschrift.The extraction of the cryptographic keys and the identifiers associated with them from the bit sequences (data) received under encryption with the reference key takes place in accordance with a rule which is also used for this in the network nodes or which is complementary to one in the network nodes when a respective one is generated , a rule comprising a key and its identifier, applied to the bit sequence added to the data to be sent by means of the reference key.
Soweit vorstehend und in den Patentansprüchen ausgeführt wird, dass die zur Extraktion des Bezugsschlüssels und des mit ihm assoziierten Identifikators sowie die zur Extraktion von kryptographischen Schlüsseln und der mit ihnen jeweils assoziierten Identifikatoren angewendete Vorschrift jeweils auch für die Netzwerkknoten des QKD-Verbundes gilt oder welche komplementär zu einer beim Zusammenfügen einer aus einem Schlüssel und einem Identifikator bestehenden Bitfolge verwendeten Vorschrift ist, sei hierzu Folgendes angemerkt. Zunächst ist es sicherlich selbstverständlich, dass die Extraktion eines jeweiligen Schlüssels (Bezugsschlüssel oder kryptographischer Schlüssel zur späteren Verwendung, wie zum Beispiel zur Verschlüsselung von Nutzdaten) und eines zugehörigen Identifikators aus einer quantensicheren Zufallszahl nicht in willkürlicher Weise, sondern nach einer eindeutigen Vorschrift erfolgt.Insofar as it is stated above and in the claims that the rule used to extract the reference key and the identifier associated with it, as well as the rule used to extract cryptographic keys and the identifiers associated with them, also apply to the network nodes of the QKD group or which are complementary to a rule used when combining a bit sequence consisting of a key and an identifier, the following should be noted in this regard. First of all, it goes without saying that the extraction of a respective key (reference key or cryptographic key for later use, such as for encrypting user data) and an associated identifier from a quantum-secure random number is not carried out in an arbitrary manner, but in accordance with an unambiguous rule.
Ziel ist es dabei, dass ein jeweiliger Schlüssel und der mit ihm assoziierte Identifikator identisch sowohl in der Endgeräteeinrichtung als auch in den beiden Netzwerkknoten des QKD-Verbundes vorliegen. Dies heißt allerdings nicht zwingend, dass ein jeweiliger Schlüssel und der mit ihm assoziierte Identifikator in den Netzwerkknoten des QKD-Verbundes ebenfalls erst durch eine entsprechende Extraktion gewonnen werden müssen. Vielmehr können der jeweilige Schlüssel und der mit ihm assoziierte Identifikator in den Netzwerkknoten des QKD-Verbundes auch bereits in separierter Form vorliegen (dabei handelt es sich sowohl bei dem Schlüssel als auch bei dessen Identifikator jeweils um eine Zufallszahl) und für die Übertragung in definierter Weise zu einer Bitfolge und damit zu einer einzigen Zufallszahl zusammengefasst werden, aus welcher dann in der diese Zufallszahl empfangenden Endgeräteeinrichtung in Umkehrung des Vorgangs der Zusammenfügung von Schlüssel und zugehörigem Identifikator deren Separierung erfolgt.The aim is that a respective key and the identifier associated with it are identical both in the terminal device and in the two network nodes of the QKD group. However, this does not necessarily mean that a respective key and the identifier associated with it in the network nodes of the QKD group also first have to be obtained by a corresponding extraction. Rather, the respective key and the identifier associated with it can already be present in the network nodes of the QKD network in a separate form (both the key and its identifier are random numbers) and for transmission in a defined manner can be combined into a bit sequence and thus into a single random number, from which the key and associated identifier are then separated in the reverse of the process of combining the key and associated identifier in the terminal device receiving this random number.
Demnach ist es sowohl denkbar, dass ein jeweiliger Schlüssel und der zu ihm gehörende Identifikator in den Netzwerkknoten des QKD-Verbundes von vornherein eine entsprechend lange gemeinsame Zufallszahl ausbilden und hier nach derselben, auch in der Endgeräteeinrichtung angewendeten Vorschrift aus dieser Zufallszahl extrahiert werden oder aber, dass der Schlüssel einerseits und der zugehörige Identifikator andererseits in den Netzwerkendeinrichtungen des QKD-Verbundes von vornherein in separierter Form vorliegen. In der Endgeräteeinrichtung erfolgt dabei aber in jedem Falle eine Extraktion von Schlüssel und Identifikator entsprechend einer korrespondierenden Vorschrift, die sicherstellt, dass in den Netzwerkknoten des QKD-Verbundes einerseits und in der Endgeräteeinrichtung andererseits jeweils dieselben Schlüssel und zugehörigen Identifikatoren vorliegen. Letzteres, also die Separierung von Schlüssel und zugehörigem Identifikator in der Endgeräteeinrichtung, ist dabei insoweit gemäß der bevorzugten (grundsätzlichen) Verfahrensgestaltung erforderlich, als ein jeweiliger Schlüssel und der zugehörige Identifikator für die Übertragung zu der Endgeräteeinrichtung zu einer gemeinsamen Zufallszahl zusammengefasst sind, welche für die Übertragung an die Endgeräteeinrichtung ihrerseits mit einer oder mehreren in gleicher Weise entstandenen Zufallszahlen XOR-verknüpft wird.Accordingly, it is both conceivable that a respective key and the identifier belonging to it form a correspondingly long common random number from the start in the network nodes of the QKD network and are extracted from this random number according to the same rule also used in the terminal device, or else, that the key, on the one hand, and the associated identifier, on the other hand, are present from the outset in a separate form in the network terminal equipment of the QKD group. In each case, however, the key and identifier are extracted in the terminal device in accordance with a corresponding regulation which ensures that the same keys and associated identifiers are present in the network nodes of the QKD group on the one hand and in the terminal device on the other hand. The latter, i.e. the separation of the key and the associated identifier in the terminal device, is required in accordance with the preferred (basic) method design, as a respective key and the associated identifier for transmission to the terminal device are combined to form a common random number that is used for the Transmission to the terminal device is in turn XOR-linked with one or more random numbers created in the same way.
Wie eingangs bereits ausgeführt, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Nutzung quantensicherer Schlüssel mit Endgeräteeinrichtungen selbstverständlich auch die Verwendung entsprechender Schlüssel bei der telekommunikativen Übertragung von Nutzdaten durch eine Endgeräteeinrichtung, welche diese quantensicheren Schlüssel gemäß dem zuvor erläuterten Ablauf bei einem QKD-Verbund bezogen hat. Demgemäß können die quantensicheren Schlüssel zur Verschlüsselung von Nutzdaten verwendet werden, welche zwischen der über diese Schlüssel verfügenden Endgeräteeinrichtung und einem Server beziehungsweise einer Servereinrichtung ausgetauscht werden. Dabei kann der betreffende Server, zum Beispiel ein Anwendungsserver oder ein Content-Server, auch Teil eines zu dem QKD-Verbund gehörenden Netzwerkknotens sein, so dass insoweit die zum Datenaustausch mit dem Server verwenden Schlüssel im Grunde direkt bei diesem vorliegen.As already stated at the beginning, the method according to the invention for the use of quantum secure keys with terminal equipment naturally also includes the use of corresponding keys in the telecommunication transmission of useful data by a terminal equipment which has obtained these quantum secure keys from a QKD network in accordance with the procedure explained above. Accordingly, the quantum secure keys can be used to encrypt user data which are exchanged between the terminal device having these keys and a server or a server device. The server in question, for example an application server or a content server, can also be part of a network node belonging to the QKD network, so that the keys used to exchange data with the server are basically available directly from the server.
Darüber hinaus kann unter Nutzung des Verfahrens aber auch eine Übertragung von Nutzdaten zwischen zwei Endgeräteeinrichtungen untereinander erfolgen, sofern beide Endgeräteeinrichtungen über dieselben Schlüssel verfügen. Dazu ist es gemäß einer Ausbildung der Erfindung vorgesehen, dass eine Endgeräteeinrichtung, welche Schlüssel von einem Netzwerkknoten des QKD-Verbundes anfordert, diesem Netzwerkknoten im Zusammenhang mit der entsprechenden Anforderung mitteilt, dass sie mit einer ganz bestimmten anderen Endgeräteeinrichtung (beispielsweise wird dazu einem Netzwerkknoten des QKD-Verbundes eine telekommunikative Adresse, wie beispielsweise die IP-Adresse, dieser bestimmten anderen Endgeräteeinrichtung mitgeteilt) verschlüsselt kommunizieren will. Durch den Netzwerkknoten des QKD-Verbundes wird dann anhand von ihm dazu gehaltener Datenbankeinträge festgestellt, ob diese andere Endgeräteeinrichtung bereits im Besitz entsprechender quantensicherer Schlüssel ist. Ist dies der Fall, werden gemäß dem bereits erläuterten grundsätzlichen Ablauf dieselben quantensicheren Schlüssel auch an die nunmehr diese anfordernde Endgeräteeinrichtung übermittelt. Andernfalls wird derselbe Satz quantensicherer Schlüssel (beispielsweise 1.000 quantensichere Schlüssel) für beide Endgeräteeinrichtungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt.In addition, using the method, useful data can also be transmitted between two terminal devices with one another, provided that both terminal devices have the same key. For this purpose, it is provided according to one embodiment of the invention that a terminal device which requests keys from a network node of the QKD association informs this network node in connection with the corresponding request that it is communicating with a very specific other terminal device (for example, a network node of the QKD network a telecommunications address, such as the IP address, communicated to this specific other terminal device) wants to communicate in encrypted form. The network node of the QKD network then uses the database entries it holds for this purpose to determine whether this other terminal device is already in possession of corresponding quantum-secure keys. If this is the case, the same quantum secure keys are also transmitted to the terminal device now requesting them, in accordance with the basic sequence already explained. Otherwise, the same set of quantum secure keys (for example 1,000 quantum secure keys) is provided for both terminal devices according to the method according to the invention.
In Weiterbildung des Verfahrens ist dieses vorzugsweise so gestaltet, dass zwischen den beiden Netzwerkknoten des QKD-Verbundes eine Synchronisation dazu erfolgt, welche Schlüssel durch welche Endgeräteeinrichtung bezogen wurden. Dazu werden in einer entsprechenden Datenbank in jedem der beiden Netzwerkknoten des QKD-Verbundes Datensätze abgelegt, welche zumindest jeweils einen quantensicheren Schlüssel, einen diesem quantensicheren Schlüssel zugeordneten Identifikator und Identifikatoren (beispielsweise die E-Mail-Adresse einer mit einer SIM-Karte für den Mobilfunk ausgestatteten Endgeräteeinrichtung, eine eindeutige Rufnummer oder dergleichen) für jede Endgeräteeinrichtung umfassen, an welche ein jeweiliger quantensicherer Schlüssel durch einen Netzwerkknoten des QKD-Verbundes übertragen wurde. Hierdurch ist es egal, bei welchem Netzwerkknoten des QKD-Verbundes eine Endgeräteeinrichtung, die mit einer anderen Endgeräteeinrichtung verschlüsselt kommunizieren will, die dafür erforderlichen quantensicheren Schlüssel bezieht.In a further development of the method, this is preferably designed in such a way that a synchronization takes place between the two network nodes of the QKD group as to which keys were obtained by which terminal device. For this purpose, data records are stored in a corresponding database in each of the two network nodes of the QKD network, each containing at least one quantum secure key, an identifier assigned to this quantum secure key and identifiers (for example the e-mail address of one with a SIM card for mobile communications equipped terminal device, a unique call number or the like) for each terminal device to which a respective quantum secure key was transmitted by a network node of the QKD network. As a result, it does not matter from which network node of the QKD network a terminal device that wants to communicate with another terminal device in an encrypted manner obtains the quantum-secure key required for this.
Eine zur Lösung der Aufgabe und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Endgeräteeinrichtung mit mindestens einer Verarbeitungseinrichtung, nämlich eine telekommunikative Endgeräteeinrichtung zur Nutzung quantensicherer kryptographischer Schlüssel, ist ausgestattet:
- - mit einer mittels ihrer Verarbeitungseinrichtung ausführbaren Programmanwendung zur Anforderung von kryptographischen Schlüsseln bei einem Netzwerkknoten eines zur Generierung quantensicherer Schlüssel ausgebildeten QKD-Verbundes sowie zur programmtechnischen Verwaltung bei dem Netzwerkknoten bezogener quantensicherer Schlüssel und zur Steuerung des Einsatzes dieser Schlüssel zum Zweck der Verschlüsselung telekommunikativ übertragener Nutzdaten,
- - mit Mitteln, welche dazu ausgebildet sind, unter Verwendung dazu in Speichermitteln der Endgeräteeinrichtung gehaltener Telekommunikationsadressen, über zueinander vollständig disjunkte Übertragungswege zwischen der Endgeräteeinrichtung und jedem der beiden Netzwerkknoten des QKD-Verbundes mindestens eine VPN-Verbindung zur Datenübertragung aufzubauen,
- - einem HSM, nämlich einem Hardwaresicherheitsmodul zur manipulationssicheren Ablage der bei dem Netzwerkknoten des QKD-Verbundes bezogenen quantensicheren Schlüssel und zur Speicherung der diesen Schlüsseln jeweils zugeordneten Identifikatoren,
- - with a program application that can be executed by means of its processing device for requesting cryptographic keys from a network node of a QKD group designed to generate quantum-secure keys and for program-technical management of quantum-secure keys obtained from the network node and for controlling the use of these keys for the purpose of encrypting user data transmitted by telecommunication,
- - With means which are designed to use telecommunication addresses held for this purpose in the storage means of the terminal device via completely disjoint addresses Establish at least one VPN connection for data transmission between the terminal equipment and each of the two network nodes of the QKD network,
- - an HSM, namely a hardware security module for tamper-proof storage of the quantum-secure keys obtained from the network node of the QKD network and for storing the identifiers assigned to these keys,
Bei einer erfindungsgemäßen Endgeräteeinrichtung muss es sich nicht um ein einzelnes Endgerät für die telekommunikative Datenübertragung handeln. Vielmehr kann es auch um eine Gruppe miteinander interagierender Geräte handeln, von denen mindestens eines für einen telekommunikativen Datenaustausch ausgebildet ist. Dies ist der Grund, warum im Kontext der Darstellung der beanspruchten Erfindung von einer Endgeräteeinrichtung und nicht von einem Endgerät gesprochen wird.A terminal device according to the invention does not have to be a single terminal for telecommunication data transmission. Rather, it can also be a group of devices that interact with one another, at least one of which is designed for telecommunication data exchange. This is the reason why in the context of the presentation of the claimed invention one speaks of a terminal device and not of a terminal device.
Für die Erfindung sind, insbesondere mit Blick auf die vorstehend erläuterten Ausprägungen des erfindungsgemäßen Verfahrens unter anderem die folgenden beispielhaft erläuterten Anwendungsszenarien denkbar.For the invention, in particular with a view to the characteristics of the method according to the invention explained above, inter alia the following application scenarios explained by way of example are conceivable.
Quantensichere, automotive Kommunikation per Mobilfunk:Quantum secure, automotive communication via cellular network:
Sowohl das autonome Fahren als auch die Integration von digitalen Diensten in Kraftfahrzeuge beziehungsweise Automobile der Zukunft erfordern sichere Kommunikationsverbindungen zwischen den Kraftfahrzeugen/Automobilen, den Herstellern sowie den Dienstanbietern und Dienstleistern. Der Einbau einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Endgeräteeinrichtung, zum Beispiel der vorstehend beschriebenen Endgeräteeinrichtung, in die Kommunikationssysteme von Kraftfahrzeugen/Automobilen (für die im Kontext dieses Anwendungsszenarios als synonym angesehenen Begriffe „Kraftfahrzeug“ und „Automobil“ soll nachfolgend vereinfachend nur noch der Begriff „Automobil“ verwendet werden) oder in die Automobile als Teil solcher Kommunikationseinrichtungen erlaubt eine sichere Kommunikation zwischen den verschiedenen Teilnehmern (gegebenenfalls unter Bildung eines ad hoc Netzwerkes) auch in Zeiten real existierender und praktisch einsetzbarer Quantencomputer. Die insoweit - aufgrund ihres Einbaus in ein Automobil - wahlweise als quasistationär oder als mobil zu betrachtende Hardwarelösung dient hierbei als Schlüsseldienstanbieter für nachgelagerte Applikationen, wie zum Beispiel Kommunikationsdienste, Navigation, Übertragung von Wartungsdaten, Überwachung oder Notrufe.Both autonomous driving and the integration of digital services in vehicles or automobiles of the future require secure communication connections between the vehicles / automobiles, the manufacturers and the service providers. The installation of a terminal device suitable for carrying out the method according to the invention, for example the terminal device described above, in the communication systems of motor vehicles / automobiles (for the terms “motor vehicle” and “automobile”, which are regarded as synonymous in the context of this application scenario, only the term "Automobile") or in the automobile as part of such communication devices allows secure communication between the various participants (possibly with the formation of an ad hoc network) even in times of real and practically usable quantum computers. The hardware solution, which can be viewed either as a quasi-stationary or as a mobile solution, due to its installation in an automobile, serves as a key service provider for downstream applications, such as communication services, navigation, transmission of maintenance data, monitoring or emergency calls.
Auch weiterführende quantensichere Kommunikationen, zum Beispiel zwischen dem Automobil und Einrichtungen von Drittanbietern, wie Einrichtungen zum Fahrkartenverkauf für den öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV), wie Einrichtungen zur Parkplatzreservierung oder von Mautstationen lässt sich über die Integration der Hardware realisieren. Die erfindungsgemäße Lösung lässt sogar die sichere Kommunikation zwischen Automobilen untereinander zu, sofern eine schnelle Verbindung zwischen der Identifikation der Autos (beispielsweise per Nummernschild, oder Automobil-ID) und den bereits ausgetauschten Schlüsseln besteht.Further quantum-secure communications, for example between the automobile and third-party equipment, such as ticket sales for local public transport, such as parking reservations or toll stations, can be implemented by integrating the hardware. The solution according to the invention even allows secure communication between automobiles with one another, provided that there is a fast connection between the identification of the automobiles (for example by license plate or automobile ID) and the keys that have already been exchanged.
Die Sicherheit des Kommunikationsprotokolls lässt sich deutlich steigern, wenn der Schlüsselaustausch über die Mobilfunknetze während der Fahrt des Automobils geschieht. Werden einerseits die Daten zum Bezug der quantensicheren Schlüssel gemäß der vorgestellten Lösung zu unterschiedlichen Zeiten versendet, so führt dies zu einer zeitlichen Diversifizierung. Durchquert das Automobil währenddessen gar mehrere Mobilfunkzellen, so wird andererseits zudem eine örtliche Diversifizierung erreicht. Ein potenzieller Angreifer müsste also neben den disjunkten Netzen auch verschiedene Orte und Zeiten in seinen Angriff einbeziehen.The security of the communication protocol can be significantly increased if the key is exchanged via the cellular network while the automobile is in motion. If, on the one hand, the data for obtaining the quantum secure key according to the presented solution are sent at different times, this leads to a time diversification. On the other hand, if the automobile even crosses several cell phone cells, a local diversification is achieved. A potential attacker would therefore have to include different places and times in his attack in addition to the disjoint networks.
Ein potenzieller Angreifer müsste, um den Schlüssel zu einer bestimmten Verbindung zu hacken, alle verschiedenen übertragenen Teilinformationen für diesen Schlüssel abhören. Damit müsste er alle disjunkten Verbindungen zu unterschiedlichen Zeiten und Orten anzapfen, die Inhalte speichern und entsprechend miteinander korrelieren. Das Kommunikationssystem des Automobils ist nach Erhalt der zweiten, mittels des Bezugsschlüssels verschlüsselten Nachricht in der Lage die finalen Kommunikationsschlüssel zu dechiffrieren und weitere Schlüssel nachzuladen. Ab diesem Zeitpunkt ist Kommunikation über eine sichere verschlüsselte Verbindung möglich.In order to hack the key for a specific connection, a potential attacker would have to eavesdrop on all the various partial information transmitted for this key. He would have to tap into all disjoint connections at different times and places, save the contents and correlate them accordingly. After receiving the second message encrypted by means of the reference key, the communication system of the automobile is able to decipher the final communication key and reload further keys. From this point on, communication is possible via a secure, encrypted connection.
Quantensichere, automotive Kommunikation per Schlüsseltankstelle:Quantum-safe, automotive communication via key filling station:
Die heimische Stromtankstelle in der Garage kann zum Beispiel zukünftig nicht mehr nur für die elektrische Aufladung des Akkumulators verwendet werden, sondern gleichzeitig für das Nachladen von Schlüsseln für die sichere Kommunikation.In the future, for example, the domestic charging station in the garage can no longer only be used to electrically charge the battery, but at the same time to recharge keys for secure communication.
Dazu wird eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete stationäre Endgeräteeinrichtung in die heimische Stromtankstelle integriert und stellt über disjunkte Mobilfunknetze oder über ein Mobilfunknetz und über einen DSL-Festnetzanschluss mittels heimischem Internetrouter, zum Beispiel kabelgebunden über einen Ethernet Anschluss oder kabellos über eine drahtlose WIFI-Schnittstelle Verbindungen zu den Netzwerkknoten des QKD-Verbundes her. Denkbar wäre auch die Nutzung der heimischen WIFI Schnittstelle als dritten Kommunikationsweg, was die gesamte Sicherheit des vorgestellten Verfahrens noch einmal erhöht. Dazu wird das im Rahmen des Verfahrens verwendete Protokoll, nämlich die XOR-Verknüpfung der mittels des QKD-Verbundes erzeugten Zufallszahlen und die Übertragung der XOR-Verknüpfung so erweitert, dass Zufallszahlen aus drei disjunkten Netzen vermischt werden, um den Bezugsschlüssel zu berechnen. For this purpose, a stationary terminal device suitable for carrying out the method is integrated into the domestic charging station and establishes connections via disjoint cellular networks or via a cellular network and via a DSL landline connection using a home internet router, for example wired via an Ethernet connection or wirelessly via a wireless WIFI interface to the network nodes of the QKD group. The use of the local WIFI interface as a third communication path would also be conceivable, which increases the overall security of the presented method once again. For this purpose, the protocol used in the context of the method, namely the XOR link of the random numbers generated by means of the QKD network and the transmission of the XOR link, is extended so that random numbers from three disjoint networks are mixed in order to calculate the reference key.
Die Stromtankstelle tauscht während des Tages zu variablen Uhrzeiten Nachrichten mit Netzwerkknoten A und B aus, um quantensichere Schlüssel für ein Automobil zu beziehen. Automobilseitig werden nun neben dem Strom auch in einem Hardware Sicherheitsmodul des Automobils zu speichernde quantensichere Schlüssel getankt. Zur technischen Realisierung wird vorgeschlagen, einen Netzwerkstecker in den Ladestecker zu integrieren. Alternativ ist eine Integration über Powerline in das Ladesystem möglich. Die Schlüssel werden dann während des Ladevorgangs übertragen und im sicheren Schlüsselspeicher der erfindungsgemäß ausgebildeten Endgeräteeinrichtung im Auto vorgehalten.The charging station exchanges messages with network nodes A and B at variable times during the day in order to obtain quantum-secure keys for an automobile. On the automobile side, quantum-secure keys to be stored in a hardware security module of the automobile are now being refueled in addition to electricity. For technical implementation, it is proposed to integrate a network connector into the charging connector. Alternatively, integration into the charging system via Powerline is possible. The keys are then transmitted during the charging process and stored in the secure key memory of the terminal device designed according to the invention in the car.
Quantensichere, automotive Zug-, ÖPNV-, Flugzeug-, Schiffs- oder FlughafenkommunikationQuantum secure, automotive train, public transport, aircraft, ship or airport communication
Analog zur Autokommunikation lassen sich mit der hier vorgestellten Erfindung alle mobilen Verkehrsteilnehmer mit quantensicheren Schlüsseln versorgen. Ein Verkehrsunternehmen (Unternehmen, das Bus, Bahn, Schiff oder Flugzeug betreibt) nutzt zwei QKD Server, um innerhalb des Unternehmens quantensicher Schlüssel an zwei Standorte zu verteilen und diese dort zu speichern. Die vorgestellte technische Lösung wird als Endgeräteeinrichtung in die Kommunikationssysteme von Zügen, Bussen, Flugzeugen oder Schiffen integriert oder als ein Teil davon ausgebildet und die Schlüssel werden über disjunkte Mobilfunknetzwerke bezogen und verteilt. Bei Bus und Bahn kann die Schlüsselverteilung analog zum Automobil kontinuierlich während des täglichen Betriebes geschehen. Bei Schiffen oder Flugzeugen kann die Schlüsselbetankung nicht nur stationär im Hafen oder auf dem Flughafen erfolgen, sondern sie kann auch während der Reise zum Beispiel über verschiedene disjunkte Verbindungen durch Satelliten und mittels anderer terrestrischer Verbindungen (Flugfunk, Schiffsfunk) erfolgen. Dabei können die verschiedenen notwendigen Datenkomponenten für die Schlüsselübertragungen auch zeitlich und damit räumlich voneinander getrennt erfolgen, wodurch die Sicherheit der Schlüssel zusätzlich erhöht wird. Technisch bietet sich für Bus und Bahn dieselbe Lösung an, die vorstehend bereits für das Automobil beschrieben wurde.Analogous to car communication, all mobile road users can be supplied with quantum-secure keys with the invention presented here. A transport company (company that operates buses, trains, ships or planes) uses two QKD servers to distribute quantum-secure keys to two locations within the company and to store them there. The presented technical solution is integrated as a terminal device in the communication systems of trains, buses, airplanes or ships or designed as a part thereof and the keys are obtained and distributed via disjoint mobile radio networks. In the case of buses and trains, keys can be distributed continuously during day-to-day operations, as in automobiles. In the case of ships or aircraft, key refueling can not only take place stationary in the port or at the airport, but it can also take place during the journey, for example via various disjoint connections via satellites and other terrestrial connections (aircraft radio, ship radio). The various data components required for the key transmissions can also take place separately from one another in terms of time and thus space, which additionally increases the security of the keys. Technically, the same solution is available for buses and trains that has already been described for the automobile.
Alternativ bietet sich für Flugzeuge und Schiffe auch eine modifizierte Lösung der Schlüsseltankstelle an. Die Verkehrsmittel werden in Häfen beziehungsweise auf Flughäfen und unterwegs per Satellitenfunk betankt und (abgesehen von der Satellitenvariante) elektrisch versorgt. An den Versorgungstellen kann die erfindungsgemäße Lösung implementiert werden. Netzseitig erfolgt der Schlüsselaustauch mit vorzugsweise firmeneigenen Netzwerkknoten zum Beispiel über disjunkte Mobilfunknetze oder/und über Festnetzanschlüsse an stationären Stellplätzen (Liegeplätzen). Verkehrsmittelseitig wird die Möglichkeit der Schlüsselübertragung in die Kommunikationssysteme während des Ladevorgangs integriert.Alternatively, there is also a modified key filling station solution for aircraft and ships. The means of transport are refueled in ports or at airports and en route via satellite radio and (with the exception of the satellite variant) electrically supplied. The solution according to the invention can be implemented at the supply points. On the network side, the key is exchanged with, preferably, the company's own network nodes, for example via disjoint mobile radio networks and / and via landline connections at stationary parking spaces (berths). On the transport side, the possibility of key transmission is integrated into the communication systems during the charging process.
Quantensichere Kommunikation für smarte Geräte im MassenmarktQuantum secure communication for smart devices in the mass market
Smarte Geräte im Massenmarkt, die eine zu erwartende Lebensdauer von mehreren Jahren haben und automatische Funktionen im Namen Ihres Besitzers ausführen werden, benötigen quantensichere und zukunftsfähige Absicherungsmechanismen ihrer Kommunikation. So werden Kühlschränke automatisch Waren nachbestellen, die Hausinstallationssysteme (Heizung, Gas und Strom) automatisch den Wartungsdienst beauftragen oder digitale Assistenzsysteme bei der Planung des Tages unterstützen oder beispielsweise persönliche Geschäftsvorfälle automatisch abwickeln. Im Gesundheitsbereich werden langlebige Implantate oder Sensoren im Allgemeinen sensible Daten im- oder exportieren.Smart devices in the mass market, which have an expected service life of several years and which will perform automatic functions on behalf of their owners, require quantum-safe and future-proof security mechanisms for their communication. For example, refrigerators will automatically reorder goods, the house installation systems (heating, gas and electricity) will automatically commission the maintenance service or digital assistance systems will support the planning of the day or, for example, automatically handle personal business transactions. In the healthcare sector, long-life implants or sensors will generally import or export sensitive data.
Alle diese Geräte benötigen eine zukunftssichere und langfristige Sicherung ihrer Kommunikation, die durch Quantencomputer gefährdet wird. Ein Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung ermöglicht die Sicherung der Kommunikation zwischen smarten Geräten des IoT (Internet of Things) im Massenmarkt und Herstellern beziehungsweise Geräten und Dienstleistern in einem dafür bereitgestellten Eco System.All of these devices need a future-proof and long-term security of their communication, which is endangered by quantum computers. Use of the solution according to the invention enables communication between smart devices of the IoT (Internet of Things) in the mass market and manufacturers or devices and service providers to be secured in an eco system provided for this purpose.
Quantensichere Kommunikation in EnergienetzenQuantum secure communication in energy networks
Die Digitalisierung der Energienetze und somit die bestmögliche und kostengünstigste Versorgung von Industrie und Endkunden mit Energie benötigt signifikante Upgrades der Kommunikationsinfrastruktur der Energieversorger. Die bedarfsgerechte Erzeugung von Energie, die optimale Leitung der Energie vom Erzeuger zum Benutzer und die Digitalisierung der Stromanschlüsse beim Endkunden verlangen nach smarten Netzgeräten und sicherer Kommunikation.The digitization of energy networks and thus the best possible and most cost-effective supply of energy to industry and end customers requires significant upgrades to the communication infrastructure of energy providers. The needs-based generation of energy, the optimal conduction of energy from the generator to the user and the digitization of the power connections at the end customer demand smart power supply units and secure communication.
Die vorgestellte Erfindung lässt sich leicht in die Kommunikationsinfrastruktur eines Energieversorgers integrieren und stellt den sicheren Datenaustausch zwischen dem Versorger und seinen Netzelementen per Mobilfunk sicher. Die Kommunikation unter Kraftwerken, Leitungselementen bis hin zu den intelligenten Stromzählern beim Kunden ließe sich quantenkryptographisch sicher und damit zukunftssicher implementieren.The presented invention can easily be integrated into the communication infrastructure of an energy supplier and ensures the secure exchange of data between the supplier and its network elements via mobile radio. The communication between power plants, line elements and even the intelligent electricity meters at the customer can be implemented quantum cryptographically securely and thus future-proof.
Kryptographisch sichere Kommunikation von Wahlverfahren im MassenmarktCryptographically secure communication of voting procedures in the mass market
Die Sicherheit der Stimmabgabe in Wahlverfahren ist von essenzieller Bedeutung für die Demokratie, wobei die Wahlberechtigung, Stimmabgabe sowie Auszählung der Stimme als auch die Anonymität des Wählers sowie das nachprüfbare Wahlergebnis geschützt und sichergestellt werden müssen.The security of voting in electoral processes is of essential importance for democracy, whereby the eligibility, voting and counting of the vote as well as the anonymity of the voter and the verifiable election result must be protected and ensured.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich leicht in die Kommunikationsinfrastruktur der bestehenden Kommunikationsnetze einbringen, um entsprechende Wahlverfahren durch quantenkryptographische Maßnahmen und Verfahren vor Manipulationen zu schützen.The solution according to the invention can easily be incorporated into the communication infrastructure of the existing communication networks in order to protect appropriate selection methods from manipulation by means of quantum cryptographic measures and methods.
Anhand von Zeichnungen sollen nachfolgend Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Endgeräteeinrichtung gegeben und nochmals Details des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
-
1 : eine erste mögliche Ausbildungsform einer erfindungsgemäßen Endgeräteeinrichtung, -
2 : eine weitere Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Endgeräteeinrichtung, -
3 : die schematische Darstellung eines zur Bereitstellung von kryptographischen Schlüsseln für Endgeräteeinrichtungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildeten Netzwerkknotens, -
4 : ein grobes Schema eines QKD-Verbundes mit zwei Netzwerkknoten und einer Schlüssel von dem QKD-Verbund beziehenden Endgeräteeinrichtung.
-
1 : a first possible embodiment of a terminal device according to the invention, -
2 : a further embodiment of the terminal device according to the invention, -
3 : the schematic representation of a network node designed to provide cryptographic keys for terminal equipment according to the method according to the invention, -
4th : a rough scheme of a QKD network with two network nodes and a key from the QKD network obtaining terminal device.
Zunächst soll an dieser Stelle nochmals daran erinnert werden, dass es sich bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Endgeräteeinrichtung um ein einzelnes Endgerät für die telekommunikative Datenübertragung oder aber auch um eine Gruppe miteinander interagierender Endgeräte handeln kann, von denen mindestens eines für einen telekommunikativen Datenaustausch ausgebildet ist.First of all, it should be remembered at this point that a terminal device designed according to the invention can be a single terminal for telecommunication data transmission or a group of interacting terminals, at least one of which is designed for telecommunication data exchange.
Die
In Bezug auf die Erfindung sind besonders wichtige dargestellte Bestandteile der mobilen Endgeräteeinrichtung
- 4
- Verarbeitungseinrichtung („Encryptoren“, „Verarbeitung“,
- 51, 52
- Mittel für den Aufbau telekommunikativer Verbindungen (VPN-Verbindungen),
- 6
- HSM (Hardware Sicherheitsmodul) mit Schlüsselspeicher.
- 4th
- Processing facility ("Encryptors", "Processing",
- 51, 52
- Means for establishing telecommunication connections (VPN connections),
- 6th
- HSM (hardware security module) with key memory.
Die mobile Endgeräteeinrichtung umfasst weiterhin:
- 7, 7'
- Funkmodul (WIFI und/oder NFC),
- 8
- Anschluss zur leitungsgebundenen Verbindung mit anderen Geräten.
- 7, 7 '
- Radio module (WIFI and / or NFC),
- 8th
- Connection for wired connection with other devices.
Die Endgeräteeinrichtung
Bei dem mit „Encryptoren“ bezeichneten Teil handelt es sich um einen Teil der Verarbeitungseinrichtung
Bei einer mobilen Endgeräteeinrichtung
Bei dem mit „Encryptoren“ bezeichneten Teil der in der schematischen Darstellung gezeigten Verarbeitungseinrichtung
Weitere wesentliche Bestandteile der erfindungsgemäßen Endgeräteeinrichtung
In jedem Falle ist die Ausbildung der Endgeräteeinrichtung
Die
- 4
- Verarbeitungseinrichtung („Encryptoren“, „Verarbeitung“,
- 51
bis 5n - Mittel für den Aufbau telekommunikativer Verbindungen (VPN-Verbindungen),
- 6
- HSM (Hardware Sicherheitsmodul) mit Schlüsselspeicher.
- 4th
- Processing facility ("Encryptors", "Processing",
- 51 to 5n
- Means for establishing telecommunication connections (VPN connections),
- 6th
- HSM (hardware security module) with key memory.
Sie umfasst weiterhin:
- 7, 7'
- Funkmodul (WIFI und/oder NFC),
- 8
- Anschluss zur leitungsgebundenen Verbindung mit anderen Geräten,
- 9
- Netzteil mit gegebenenfalls erweiterter Funktionalität (
5n ).
- 7, 7 '
- Radio module (WIFI and / or NFC),
- 8th
- Connection for wired connection with other devices,
- 9
- Power supply unit with possibly extended functionality (
5 n ).
Hierbei handelt es sich um eine Ausbildungsform für den stationären Einsatz. Dies ist daran zu erkennen, dass die Mittel
Für den Aufbau mindestens zweier zueinander disjunkter Verbindungen zu einem QKD-Verbund verfügt die Endgeräteeinrichtung
Wie aus der Figur ersichtlich, verfügt die im Beispiel gezeigte Endgeräteeinrichtung
Wie die in der
Die
Soweit beide Netzwerkknoten
Die
Die entsprechenden Zufallszahlen und die durch sie repräsentierten Inhalte (Schlüssel, Identifikator oder Kombination daraus), liegen aufgrund des Prinzips von QKD-Verfahren und somit auch der Eigenschaften des BB84-Protokolls jeweils identisch in beiden Netzwerkknoten
Nachfolgend soll, ausgehend von der in der
Innerhalb des wiedergegebenen Ablaufs stehen:
- Sj, Sj+1, Sj+2 und Sj+3
- für 4 beispielhafte durch den QKD-Verbund erzeugte und in beiden Netzwerkknoten
21 ,22 des Verbundes vorliegende 512 bit lange Zufallszahlen, Kj+ 6,Kj+ 7- für 2 gleichlange (256 bit) aus der Zufallszahl Sj+3 gebildete Bitfolgen, wobei Kj+6 als Bezugsschlüssel und Kj+7 als dessen Identifikator dient,
- ⊕
- für den Operator zur Ausführung einer bitweisen XOR-Verknüpfung
- Sj, Sj + 1, Sj + 2 and Sj + 3
- for 4 examples generated by the QKD network and in both network nodes
2 1 ,2 2 512 bit long random numbers of the network, -
Kj + 6,Kj + 7 - for 2 bit sequences of equal length (256 bits) formed from the random number S j + 3 , where K j + 6 serves as the reference key and K j + 7 as its identifier,
- ⊕
- for the operator to perform a bitwise XOR operation
Bei der Übermittlung des Bezugsschlüssels und des mit diesem assoziierten Identifikators an die Endgeräteeinrichtung
Die Extraktion von Kj+6 (Bezugsschlüssel) und Kj+7 (Identifikator, ID) aus Sj+3 kann beispielsweise erfolgen, indem Sj+3 als 512 bit lange Zufallszahl in zwei 256 bit lange Teile zerlegt wird, wobei es sich bei Kj+6 um die ersten (unteren) 256 bit und bei Kj+7 um die anderen (oberen) 256 bit von Sj+3 handelt. Denkbar wäre aber auch eine Zerlegung derart, dass die vom Index (Potenz von 2) her geradzahligen bits als Bezugsschlüssel und die ungeradzahligen bits als dessen Identifikator verwendet werden. Selbstverständlich ist aber auch jede andere, eineindeutige Vorschrift für eine Zerlegung der Bitfolge von Sj+3 in den Bezugsschlüssel und dessen Identifikator denkbar. Dies ist lediglich eine Festlegungs- und Implementierungsfrage. Zudem kann die Zerlegung des Schlüsseldatencontainers in den Bezugsschlüssel und seinen Identifikator entsprechend der dafür jeweils vorgesehenen Vorschrift auch zeitlich gesteuert erfolgen.K j + 6 (reference key) and K j + 7 (identifier, ID) can be extracted from S j + 3 , for example, by splitting S j + 3 as a 512 bit long random number into two 256 bit long parts, whereby it turns around at K j + 6 the first (lower) 256 bits and K j + 7 are the other (upper) 256 bits of S j + 3 . It would also be conceivable, however, to break it down in such a way that the even-numbered bits from the index (power of 2) are used as the reference key and the odd-numbered bits are used as its identifier. Of course, any other, one-to-one rule for breaking down the bit sequence from S j + 3 into the reference key and its identifier is also conceivable. This is only a question of definition and implementation. In addition, the breakdown of the key data container into the reference key and its identifier can also take place in a time-controlled manner in accordance with the provision provided for this in each case.
Bezüglich der Zerlegung der Zufallszahl Sj+3 in den Bezugsschlüssel und seinen Identifikator sowie deren Abspeicherung kann die Reihenfolge außerdem auch umgekehrt sein. In diesem Falle würde zunächst die 512 bit lange Zufallszahl im HSM abgespeichert und diese erst zum Zweck der Anforderung einer größeren Zahl von Schlüsseln (mit jeweils zugehörigen Identifikatoren) in Bezugsschlüssel und mit diesem assoziierten Identifikator zerlegt werden.With regard to the decomposition of the random number S j + 3 into the reference key and its identifier and their storage, the order can also be reversed. In this case, the 512 bit long random number would first be stored in the HSM and this would only be broken down into reference keys and identifiers associated with them for the purpose of requesting a larger number of keys (each with associated identifiers).
Darüber hinaus kann der vorstehend veranschaulichte Ablauf gegebenenfalls auch mehrfach ausgeführt werden, so dass dann im HSM der Endgeräteeinrichtung
Was hierbei die Zufallszahlen Sj bis Sj+3 anbelangt so handelt es sich hierbei, wie ausgeführt um 512 bit lange Zufallszahlen. Diese können durch den QKD-Verbund entweder unmittelbar mit dieser Bitlänge erzeugt oder durch die Netzwerkknoten
Im Hinblick auf die Übermittlung des Bezugsschlüssels und des zugehörigen Identifikators sowie auf den im Patentanspruch 2 dargestellten Ablauf sei an dieser Stelle der Vollständigkeit halber noch darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich auch möglich ist, den Bezugsschlüssel und seinen Identifikator (vorzugsweise unmittelbar aufeinanderfolgend) getrennt voneinander an die Endgeräteeinrichtung
Nachfolgend soll beispielhaft noch ein möglicher Ablauf für den Bezug einer größeren Zahl quantensicherer Schlüssel (und jeweils zugehöriger Identifikatoren) unter Verwendung des gemäß dem vorstehend erläuterten Ablauf zusammen mit einem assoziierten Identifikator übermittelten Bezugsschlüssels gezeigt werden. Dieser kann sich beispielsweise wie folgt vollziehen:
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